Optimization and thermal management of battery power supply system for agricultural drones

Optimization and thermal management of battery power supply system for agricultural drones = Оптимизация и терморегулирование системы питания аккумуляторных батарей сельскохозяйственных беспилотных летательных аппаратов / Q. Lin, S. V. Dubinin, L.-Ch. Wu [et al.] // Системный анализ и прикладная информатика. – 2025. – № 4. – С. 26-35.

Abstract

Addressing the issues of sudden range reduction and lifespan degradation in agricultural drone lithiumion batteries due to temperature runaway during high-temperature operations, this paper proposes an optimization method for an electric drive battery power supply system. The study initially constructs a battery thermoelectric coupling model to analyze the dynamic relationship between power demand and temperature rise during typical spraying operations. Subsequently, an intelligent thermal management system is designed, which combines active air cooling and phase change material (PCM) cooling strategies and is controlled by an innovative dynamic threshold algorithm. To further enhance system performance, the discharge current curve is optimized using the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, achieving a better balance between power output and thermal generation. Experimental verification under 35°C environmental conditions shows that the battery peak temperature decreases from 58°C to 49°C, representing a % reduction in the maximum operating temperature. Field tests indicate that the system extends the durability of a single operation by 14 %, while significantly improving the service life, with a capacity retention rate of 92.3 % after 100 charge-discharge cycles, compared to 85.1 % for traditional systems. These results demonstrate that the proposed method effectively addresses the thermal challenges of drone batteries by coordinating and optimizing cooling strategies and discharge management, providing a practical, cost-effective solution for maintaining battery performance in hightemperature agricultural applications, while extending service life and operational reliability.

Abstract in another language

Статья посвящена проблемам внезапного сокращения дальности полета и срока службы литий-ионных аккумуляторов сельскохозяйственных беспилотных летательных аппаратов вследствие резкого подъема температуры в процессе функционирования аппарата с выделением тепла. Предлагается метод оптимизации системы питания аккумуляторных батарей электропривода. В ходе исследования построена математическая модель работы аккумулятора для анализа динамической зависимости между потребляемой мощностью и повышением температуры во время типичных операций охлаждения. Разработана интеллектуальная система терморегулирования, которая сочетает в себе активное воздушное охлаждение и стратегии охлаждения материалов с фазовым переходом (PCM) и инновационным алгоритмом управления динамическим порогом срабатывания. Для существенного повышения производительности системы процесс разряда тока оптимизируется с помощью алгоритма Particle Swarm Optimization (PSO), что позволяет достичь лучшего соотношения между величиной выходной мощности и выделением тепла. Экспериментальные исследования при температуре окружающей среды 35°C показали, что пиковая температура аккумулятора снижается с 58°C до 49°C, что на 15,5 % меньше максимально допустимой рабочей температуры аккумулятора. При натурных испытаниях установлено, что предложенная система терморегулирования позволяет увеличить срок службы аккумуляторов при непрерывной эксплуатации на 14 %, а коэффициент сохранения емкости составляет 92,3 % после 100 циклов зарядки-разрядки по сравнению с 85,1 % существующих систем. Результаты исследований показали, что предложенный метод терморегулирования эффективно решает тепловые проблемы аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов путем координации и оптимизации стратегий охлаждения и управления разрядом, обеспечивая практичное и экономичное решение для поддержания работоспособности аккумуляторов в высокотемпературных сельскохозяйственных условиях, одновременно продлевая срок службы и эксплуатационную надежность.